月: 2023年11月

연산 증폭기란?

연산 증폭기는 2개의 입력 단자와 1개의 출력 단자를 갖추고, 입력 측의 전기 신호를 증폭하여 출력할 수 있는 집적회로입니다.

‘오퍼레이셔널 앰프(Operational Amplifier)의 약자로 연산 증폭기라고도 합니다. 연산 증폭기는 연결하는 회로 소자를 고안함으로써 단순한 증폭에 그치지 않고 입력 전압의 덧셈, 뺄셈, 시간 적분 등의 연산 기능을 갖출 수 있습니다.

현재는 이러한 특징을 살린 아날로그 증폭 회로가 널리 사용되고 있습니다.

연산 증폭기의 사용 용도

연산 증폭기를 이용한 다양한 회로가 알려져 있는데, 대표적인 것은 다음과 같습니다.

• 센서 증폭기
• 전압 추종 회로
• 차동 증폭 회로
• 가산 증폭 회로
• 적분 회로
• 미분 회로
• 선형 검파 회로
• 대수 증폭 회로
• 위상 발진 회로
• 액티브 필터

1. 센서 증폭기

연산 증폭기는 마이크, 광센서, 압력센서 등에서 출력되는 다양한 미세 신호를 A/D 컨버터가 처리할 수 있는 신호 레벨로 증폭하는 센서 증폭기 분야에서 사용되고 있습니다. 여기서 노이즈의 영향을 피하기 위해 차동 증폭기 구성이나 대역 통과 필터를 통해 신호의 주파수 대역 외의 노이즈를 제거하는 등의 수단을 채택하고 있는데, 여기에 반드시 사용되는 것이 연산 증폭기입니다.

2. 전압 추종자

연산 증폭기는 전압 추종자로도 사용됩니다. 높은 임피던스의 신호원은 노이즈에 약해 케이블 길이를 늘릴 수 없지만, 연산 증폭기를 전압 추종자로 신호원 근처에 배치하면 연산 증폭기의 낮은 출력 임피던스로 신호를 내보낼 수 있습니다. 연산 증폭기를 사용하면 케이블을 길게 늘려도 노이즈의 영향을 줄일 수 있게 됩니다.

연산 증폭기의 원리

연산 증폭기는 2개의 입력 단자와 1개의 출력 단자로 구성되며, 다음과 같은 이상적인 특성을 가지고 있습니다.

• 오픈 루프 이득: 무한대
• 입력 전류: 0A
• 출력 임피던스: 0Ω

실제로는 오픈 루프 게인은 90dB 이상, 입력 전류는 수nA~1μA 정도, 출력 임피던스는 0.1Ω~수Ω 정도이지만, 원칙적으로는 위의 내용을 전제로 생각할 수 있습니다.

또한, 연산 증폭기의 2개의 입력 단자는 다음과 같은 기능을 가지고 있습니다.

• 반전 입력 단자
  입력 신호의 위상이 180° 반전되어 출력되는 단자로, 회로 기호에 “-“가 표시됩니다.
• 비반전 입력 단자
  입력 신호와 같은 위상의 출력을 얻을 수 있는 단자로, 회로 기호에 “+”가 표시됩니다.

연산 증폭기의 종류

연산 증폭기의 종류는 ‘소자’, ‘전원 구성’, ‘특성’의 관점에서 분류할 수 있습니다.

1. 소자에 의한 분류

회로를 구성하는 소자에 따라 다음 세 가지로 분류할 수 있습니다.

• 바이폴라 트랜지스터만으로 구성한 연산 증폭기
  일반적인 연산 증폭기이며, 특성면에서 우수한 고성능 타입부터 일반 범용 타입까지 다양한 종류가 있습니다.
• 입력 단자에 FET를 채용한 연산 증폭기
  기본적으로 바이폴라 트랜지스터로 구성되어 있지만, 입력 회로의 초단부를 J-FET에 의한 차동형 소스-플로워로 구성하여 높은 입력 임피던스와 큰 스루율 특성을 얻을 수 있습니다.
• CMOS로 구성된 연산 증폭기
  내전압이 비교적 낮지만, 입력 바이어스 전류가 극히 작은 수준이고 소비전류가 적은 것이 특징입니다. 또한 입출력의 다이내믹 레인지가 넓어 큰 진폭의 신호를 처리할 수 있는 것도 장점입니다. 단, 고주파수 신호에는 대응할 수 없습니다.

2. 전원 구성에 따른 분류

연산 증폭기를 동작시키기 위한 전원 구성에 따라 다음 두 가지로 분류할 수 있습니다.

• 양전원 타입
  접지 레벨에 대해 플러스와 마이너스의 전원 전압이 필요한 연산 증폭기
• 단전원 타입
  플러스 또는 마이너스 전원 전압만으로 동작하는 연산 증폭기

3. 특성에 따른 분류
용도에 따라 특히 중요한 특성이 다르기 때문에, 특징을 가진 연산 증폭기가 공급되고 있습니다. 그 예는 다음과 같으며, 요구 사양에 따라 적절한 디바이스를 선택해야 합니다.

• 광대역
• 저잡음
• 높은 정밀도
• Rail to Rail 동작
• 낮은 바이어스 전류
• 낮은 소비 전류
• 높은 출력 전류

연산 증폭기 사용법

연산 증폭기는 아날로그 회로 특유의 오류 요인을 가지고 있습니다. 또한, ‘연산 증폭기의 원리’에서 설명한 이상적인 특성에서 벗어난 부분이 회로 동작에 악영향을 미칠 수 있습니다. 따라서 이를 방지하기 위한 대책이 필요합니다. 구체적인 대책은 다음과 같습니다.

• 연산 증폭기에 공급하는 전원은 노이즈가 적은 안정된 전압을 출력하는 것이어야 한다.
• 전원 단자 부근에 노이즈 흡수 커패시터를 장착한다.
• 디지털 처리 회로로부터 거리를 두거나 차폐 케이스에 넣는다.
• 온도 변동이 적은 환경에 설치해야 한다
• 정확한 증폭률과 주파수 특성을 요구하는 경우, 피드백 회로의 소자 정밀도 및 온도 특성을 고려하여 설계해야 한다.

그 외에도 다음과 같은 주의 사항이 있지만, 개별적인 대처 방법은 전문 문헌이나 연산 증폭기 제조사가 제공하는 자료를 참고하시기 바랍니다.

• 오프셋 전압의 취소
• 발신 방지
• 다이내믹 레인지 확보
• 바이어스 전류의 영향 제거
• 전류 공급 능력 확보
• 과입력 신호로부터 보호

연산 증폭기의 기타 정보

증폭 회로의 기본

연산 증폭기는 오픈 루프 게인이 매우 높기 때문에 출력 단자에서 입력 단자로의 피드백 회로를 적절히 설정하여 전항에 기술한 다양한 기능을 실현할 수 있습니다. 여기서는 연산 증폭기를 이용한 기본적인 증폭 회로로 다음 두 가지를 실례로 설명합니다.

1. 반전 증폭기
신호 Vi는 저항 Ri를 통해 반전 입력 단자에 연결하고, 반전 입력 단자와 출력 단자 사이는 저항 Rf로 연결합니다. 그리고 비반전 입력단자는 직접 접지에 연결합니다. 이 구성에서 얻을 수 있는 출력 신호 Vo는 (-Rf/Ri)×Vi가 된다.” “-“는 위상이 반전되었음을 나타냅니다.

2. 비반전 증폭기
신호 Vi는 비반전 입력 단자에 직접 연결합니다. 반전 입력 단자는 Ri를 통해 접지하고 Rf를 통해 출력 단자에 연결합니다. 이 구성에서 얻을 수 있는 출력 신호 Vo는 (Rf/Ri)×Vi가 됩니다.

열수축 튜브란?

열수축 튜브는 열을 가하면 수축하도록 가공된 튜브입니다.

성형된 수지 튜브에 방사선 처리가 되어 있으며, 주로 전선 보호 및 절연 등을 목적으로 널리 사용됩니다. 사용법은 전선을 열수축 튜브에 끼우고 히트건 등으로 열을 가하기만 하면 된다. 처리가 간단하고 작업 환경에 상관없이 사용할 수 있습니다.

열수축 튜브의 사용 용도

열수축 튜브는 덮은 전선에 맞게 수축시키는 부재로 주로 전선이나 부품의 보호, 절연, 방수, 부식 방지를 목적으로 이용됩니다.

구체적인 사용 용도는 다음과 같습니다.

• 가전제품에 사용되는 내부 배선
• 전자제품의 내부 배선
• 산업기기의 급전 배선
• 자동차용 와이어 하네스
• 복강경 수술의 수술 장비

열수축 튜브의 원리

열수축 튜브는 폴리에틸렌이나 각종 엘라스토머와 같은 고분자 고분자가 재료입니다. 이들 재료는 유연성을 유지하면서 열에 의해 수축하는 성질을 가지고 있습니다.

위의 고분자 고분자에 튜브 제작 단계에서 전자선을 조사하여 가교반응을 일으킵니다. 가교 반응 후 튜브를 가열하여 늘리면 튜브가 늘어난 상태로 굳어지고, 다시 가열하면 튜브가 수축하여 늘어나기 전의 크기로 되돌아간다. 이것이 열수축 튜브의 원리입니다.

열수축 튜브의 종류

열수축 튜브는 구조의 차이에 따라 일층 열수축 튜브와 이층 열수축 튜브로 크게 나뉩니다.

열을 가하면 직경 방향으로 수축하며, 수축률은 2:1~3:1 정도입니다. 재질은 고무계, PE계, 불소수지계, 실리콘 수지계 등이 있습니다. 열수축 튜브는 여러 종류가 있으므로 적절한 선택이 중요합니다.

1. 일층 열수축 튜브

일층 열수축 튜브는 일반적인 종류로, 튜브의 두께에 따라 “얇은 벽”, “중간 두께”, “두꺼운 벽”으로 나뉩니다. 한 층 열수축 튜브의 목적은 절연 및 부분적인 보호 보호입니다. 튜브의 색상은 여러 색상으로 판매되어 식별에 사용할 수 있습니다.

2. 이중층 열수축 튜브

이중층 열수축 튜브는 내층과 외층의 이중층 구조입니다. 전기 절연 및 기계적 보호 목적으로 사용됩니다. 층이 두껍기 때문에 습기나 부식성 환경으로부터 보호하는 데 사용되기도 합니다. 한 층 열수축 튜브와 마찬가지로 여러 색상으로 판매되므로 식별에 사용할 수 있습니다.

열수축 튜브의 기타 정보

1. 열수축 튜브 사용법

열수축 튜브의 사이즈는 수축 후 내경이 목적물보다 얇아지도록 선정합니다. 길이도 약간 줄어들기 때문에 다소 길게 선정하여 절단합니다. 소재에 따라 수축률도 다르므로 작업 전 가열 조건을 확인합니다. 절단할 경우 절단면 틈새로 인해 파손될 수 있으므로 절단면을 깔끔하게 정리하는 것이 중요합니다.

일반적인 열수축 튜브는 약 120℃에서 수축하기 때문에 가열기구는 히트건을 사용합니다. 저온 타입은 약 80℃에서 수축하기 때문에 헤어 드라이어로도 작업할 수 있습니다. 또한 직경이 작고 수량이 적은 경우 납땜 인두로 대체할 수 있습니다. 이때 납땜 인두 끝 등이 주변에 닿지 않도록 주의해야 합니다.

2. 열수축 튜브 주의사항

열수축 튜브 작업 시에는 가열기구를 사용합니다. 안전한 사용을 위해서는 화상에 주의하고, 적절한 기구를 사용하는 것이 중요합니다. 특히 가스버너 등 직화로 가열할 경우 과열로 인해 튜브가 녹을 수 있으므로 적절한 타이밍에 불을 꺼야 합니다.

또한, 금속 등 열전도가 좋은 물건을 포장할 때는 가열 시 열을 빼앗기기 쉬워 수축하기 쉬우므로 평상시보다 더 오랜 시간 열을 가합니다. 전해질 커패시터, 2차 전지 등에는 절대로 사용해서는 안 된다. 가열로 인해 파열될 수 있기 때문입니다. 따라서 이들 근처에서 작업하는 것도 가급적 피해야 합니다.

풍속계란?

풍속계는 바람의 속도를 측정하는 장치입니다. 풍속계로 측정된 바람의 속도는 m/s, 노트 등의 단위로 표시된다. 풍속계를 사용하면 대기 상태나 자전 등에 의해 발생하는 바람, 에어컨 배기구에서 나오는 바람 등 다양한 바람의 속도를 측정할 수 있습니다.

바람의 속도는 벡터량입니다. 이 때문에 풍속계는 크기인 풍속과 동시에 방향인 풍향도 함께 측정할 수 있는 제품이 많습니다. 풍속계는 다양한 작동 원리의 제품이 출시되어 있습니다. 예를 들어 풍속계의 종류로는 풍향풍속계, 풍차식 풍속계, 초음파식 풍속계, 열식 풍속계 등이 있습니다.

풍속계의 사용 용도

풍속계는 우리 주변에서 쉽게 접할 수 있습니다. 예를 들어, 에어컨의 수리 및 유지보수, 배기구에서 나오는 가스의 풍속을 측정하는 데 사용됩니다. 또한, 기상 관측 등 대기 상태를 파악하기 위해서도 풍속계가 사용됩니다.

풍속계에는 풍차형, 초음파형, 열식, 풍향풍속계 등 여러 종류가 있습니다. 일반적인 풍속계는 풍차형이며, 기상청 등의 기관에서 사용하는 것이 특징입니다. 풍차형이나 풍향풍속계는 실외의 풍속을 측정할 목적으로 사용됩니다. 사용방법의 특징은 실외에 설치하여 회전을 통해 외부의 풍속 정도를 측정하는 것입니다.

풍차형과 풍구형 풍속계는 최근 몇 년 동안 디지털화가 가속화되고 있습니다. 풍속계의 디지털화로 풍속계를 설치한 위치에서 멀리 떨어진 곳에서도 풍속을 확인할 수 있습니다. 실내의 PC나 스마트폰으로 실시간 풍속을 확인할 수 있습니다. 주로 실내에서 사용하는 풍속계는 열식이나 초음파식 풍속계가 있습니다. 열식 풍속계와 초음파 풍속계는 휴대가 가능한 것이 특징입니다.

열식 풍속계와 초음파식 풍속계의 사용법은 풍속을 측정하고자 하는 지점이나 부위에 측정기를 직접 설치하거나 사람이 직접 들고 다니며 그 자리에서 연속적으로 측정합니다. 열식 풍속계와 초음파식 풍속계 모두 풍속 데이터를 바로 확인할 수 있습니다. 또한, 설치 위치를 쉽게 변경할 수 있어 유연하게 사용할 수 있는 것이 특징입니다. 단, 사람의 움직임이 풍속에 영향을 미치지 않도록 주의해야 합니다.

풍속계의 종류

일반적으로 풍속을 측정하기 위해서는 목적과 어떤 환경에서 결과를 얻고자 하는지를 결정해야 합니다. 실내에서 측정할 것인지 실외에서 측정할 것인지에 따라 사용하는 풍속계의 종류가 달라집니다.

풍속계의 종류는 ‘풍향풍속계’, ‘풍력계’, ‘풍차형 풍속계’, ‘초음파식 풍속계’, ‘열식 풍속계’의 네 가지가 있습니다.

1. 풍향풍속계

풍향풍속계는 풍향계라고 불리는 원뿔형 날개를 사용하는 방식입니다. 회전하는 날개의 회전수를 발전기나 로터리 엔코더 등으로 측정해 풍속을 계산합니다. 풍향에 관계없이 풍속만을 받아 회전하기 때문에 바람의 변화에 민감하게 반응하는 것이 특징입니다.

2. 풍차식 풍속계

풍차식 풍속계는 바람에 의해 회전하는 프로펠러 모양의 날개를 사용하는 방식입니다. 회전하는 날개의 회전수를 발전기 등에서 측정되는 회전수를 이용해 풍속을 측정합니다. 풍차식 풍속계의 한쪽 끝에는 프로펠러, 다른 한쪽 끝에는 풍향계를 장착하여 풍향도 동시에 측정할 수 있는 풍속계가 일반적입니다.

3. 초음파식 풍속계

초음파식 풍속계는 풍속에 따라 변화하는 음속의 변화량을 측정하여 풍속을 측정합니다. 발신부에서 발신한 초음파를 수신부에서 수신하고, 발신에서 수신까지 걸린 시간으로 풍속이 어느 정도인지 측정합니다.

4. 열식 풍속계

열식 풍속계는 바람에 의해 냉각된 측정부의 온도 변화를 이용하는 방법입니다. 온도를 감지하는 소자에서 발생하는 전기 신호를 측정하여 풍속을 측정한다. 열식 풍속계는 풍속뿐만 아니라 습도나 압력도 동시에 측정할 수 있는 제품이 있습니다.

풍속계 선택 방법

풍속계는 다양한 측정 원리가 있기 때문에 선택 시 주의가 필요합니다. 예를 들어, 비나 눈 등에 강해 야외에서 사용하기에 적합한 풍속계, 클린룸 등 정밀도가 요구되는 제조 현장에서 사용하기에 적합한 풍속계 등이 있습니다.

따라서 풍속계의 사용 용도에 따라 적절하게 선택해야 합니다. 풍속계는 작업 현장이나 분연 효과 측정 등에 사용되고 있습니다. 하지만 최근 들어서는 보다 친숙한 풍속을 측정할 수 있는 기회도 늘어나고 있다. 예를 들어, 골프나 요트 등 야외 활동이나 가정에서 에어컨 사용 시 풍속과 바람의 흐름을 확인하는 경우가 있습니다.

풍속계를 선택할 때 가장 보편적으로 사용되는 것은 소형 풍속계입니다. 콤팩트형 풍속계는 풍차형과 열식 풍속계가 있으며, 일반인들도 합리적인 가격으로 구입할 수 있습니다. 콤팩트형 풍속계의 장점은 휴대가 간편하다는 점입니다. 풍속계가 경량화되어 있어 휴대가 편리하다는 특징이 있습니다.

또한 측정 결과 표시 화면이 측정기와 일체형으로 되어 있어 풍속 측정 결과를 바로 확인할 수 있습니다. 풍차형 핸디형 풍속계는 주로 야외 레저 스포츠에서 많이 사용됩니다. 열식 풍속계도 풍차형 풍속계와 마찬가지로 저렴한 가격에 판매되고 있습니다. 열식 풍속계는 주로 야외에서, 가정에서 에어컨이나 서큘레이터를 사용하는 조건에서 풍속을 측정하는 데 사용할 수 있습니다.

파워 릴레이란

파워 릴레이는 대체로 3A 이상의 전류를 흘릴 수 있는 릴레이 부품입니다.

릴레이는 크게 유접점 릴레이와 무접점 릴레이로 나눌 수 있는데, 파워 릴레이는 유접점 릴레이에 해당합니다. 일반적인 제어 릴레이보다 큰 전류가 흐를 것으로 예상되기 때문에 큰 전류를 견딜 수 있도록 견고한 구조로 되어 있습니다.

또한, 이러한 특성으로 인해 비정상적으로 큰 전류가 회로에 흐를 때 안전 회로용 릴레이로 내장되기도 합니다.

파워 릴레이의 사용 용도

전력계전기는 산업에서 광범위하게 사용되는 부품 중 하나입니다. 다음은 전력 계전기의 사용 용도의 일례입니다.

• 태양광 패널과 그 급전 장치의 회로
• 큰 동력을 가진 로봇 구동용
• 엘리베이터 및 건설 현장의 중장비 등의 구동용
• 전기자동차 등의 충전 설비 내
• 하이브리드 자동차의 메인 회로

파워 릴레이의 원리

파워 릴레이는 단자, 접점, 전자기 코일 등으로 구성됩니다.

1. 단자

단자는 배선과 연결되는 부분입니다. 파워 릴레이의 경우 납땜으로 배선을 고정하는 경우가 많습니다. 또한, 파워 릴레이를 단자대 유닛에 장착하고 원형 단자 등으로 단자 처리된 배선을 연결하는 경우도 있습니다.

2. 접점

접점은 전기의 통로가 되는 구동 부품입니다. 대전류용이 될수록 접점이 크거나 그 수가 많아집니다.

전기 저항을 줄이기 위해 접점에는 은합금이나 금이 사용됩니다. 은합금은 전기저항이 낮기 때문에 널리 사용됩니다. 금은 은합금보다 산화가 잘 일어나지 않는 특성이 있지만, 녹는점이 낮고 비싸기 때문에 미세부하용으로 사용됩니다된다.

파워 릴레이의 접점에는 이동식 접점과 고정식 접점이 있습니다. 고정 접점은 케이싱 등에 견고하게 고정됩니다. 가동 접점은 가동 철편과 함께 구동되어 고정 접점과 접촉하여 전기를 통하게 합니다전시킵니다.

3. 전자기 코일

전자기 코일은 전자기력으로 가동 철편을 구동하는 부품입니다. 가동 철편에는 가동 접점이 부착되어 있으며, 전자기 코일에 의한 전자기력으로 고정 접점과 접촉합니다. 전자기 코일이 비통전 상태일 때는 스프링에 의해 접점들이 서로 떨어져 있거나 접촉하고 있습니다.

파워 릴레이의 종류

전력 계전기는 크게 DC 구동 계전기와 AC 구동 계전기로 나뉩니다.

1. DC 구동 파워 릴레이

DC 구동은 코일이 직류 전원으로 구동되는 파워 릴레이로, DC 전원은 유도 전압에 강하고 저전압에서도 안정적으로 동작하는 특징이 있습니다. 릴레이 코일에는 다이오드를 연결하여 역류를 방지하는 경우가 많습니다.

규격으로는 DC5V, 12V, 24V 등이 있으며, 사용 용도에 따라 구분하여 사용합니다. 전송 거리가 길거나 제어반에서 릴레이 회로를 구성할 경우 전압이 높은 24V 전원이 사용됩니다. 본질안전 방폭을 고려한 회로에는 DC12V, 5V 등이 사용됩니다.

2. AC 구동 파워 릴레이

AC 구동은 코일이 교류 전원으로 구동하는 파워 릴레이입니다. 상용전원은 교류전원이기 때문에 직접 사용할 수 있으며, DC 사양에서 필요한 전원공급장치가 필요 없다는 장점이 있습니다.

코일 전압은 AC100V 또는 AC200V가 사용되며, AC400V 제어 회로는 이격 거리를 유지하기 어렵기 때문에 거의 사용되지 않습니다.

파워 릴레이의 기타 정보

파워 릴레이의 고장

파워 릴레이는 전자기력에 의해 기계적으로 작동하기 때문에 수명이 존재합니다. 작동 횟수의 수명은 수십만 회 정도입니다. 수명을 초과하거나 과도한 충격이 가해지면 다음과 같은 고장이 발생합니다.

1. 코일 단선
파워 릴레이 내의 전자기 코일이 단선되는 고장입니다. 코일의 단선으로 인해 모든 접점이 작동하지 않습니다. 접점 구동음이 없기 때문에 비교적 쉽게 발견할 수 있는 고장입니다.

2. 용접
파워 릴레이에 과도한 전류가 흐를 때 접점이 용착되어 개방되지 않는 고장입니다. 대형 장비의 제어로 사용하는 경우 장비가 멈추지 않기 때문에 매우 위험하며, ON과 OFF를 전환하면서 접점의 통전 여부를 확인하여 진단합니다.

3. 접점 동작 불량
릴레이 접점이 마모되거나 오염되어 전기적으로 통하지 않게 되는 고장입니다. 접점이 단락되지 않고 개방된 상태로 유지됩니다. 용접과 마찬가지로 전도도 및 전압을 확인하여 진단합니다.

4. 코일 단락
전자기 코일의 바니시가 벗겨지는 등 단락이 발생했을 때 발생하는 고장입니다. 전자기 코일에 통전할 때 제어용 전원 자체의 트립으로 알 수 있습니다.

제어 회로는 전원 릴레이를 여러 개 병렬로 연결한 경우가 많기 때문에 발견하는데 시간이 걸릴 수 있습니다.

빌드업 PCB이란?

빌드업 PCB은 여러 층으로 적층된 인쇄기판을 말합니다.

빌드업 PCB을 사용하면 작은 면적에 고밀도 기판을 사용할 수 있기 때문에 소형 기기 등에서도 다기능 제품을 만들 수 있습니다. 빌드업 기판은 도체 층과 절연체 층이 여러 층으로 쌓여 있고, 층을 관통하도록 레이저로 구멍을 뚫고 배선 가공을 하여 작은 면적의 복잡한 기판을 얻을 수 있습니다.

빌드업 기판의 등장

기판의 고밀도화에 따라 현재의 비아홀 구조만으로는 대응이 어려워졌습니다. 휴대전화의 발전으로 경량화, 소형화에 대응하는 기판이 필요하게 되었습니다. 빌드업 기판은 2000년경부터 등장하여 현재에 이르고 있습니다.

빌드업 기판은 유럽과 미국에서는 마이크로 비아(Micro-via)라는 방식으로 분류하고 있지만, 해외에서는 HDI(영문: HIGH density inter connection) Micro-via Laser-via라는 명칭으로 불리고 있습니다. 일본에서는 주로 빌드업이라는 명칭이 주류입니다. 빌드업 기판은 말 그대로 여러 층으로 적층되어 있는 인쇄기판을 말합니다.

보통 한 번의 적층(적층)으로 다층 기판을 만들 수 있는 곳을 여러 번 쌓아 올리기 때문에 공수나 비용이 증가하지만, 주로 아래 두 가지 이유로 활용도가 높아지고 있습니다.

1. 낭비되는 공간 감소

다층 기판에서 비아홀(구멍을 뚫어 다른 층과 연결하는 것)을 사용할 경우, 연결층 외에는 비아가 있기 때문에 배선을 할 수 없다. 따라서 다층 기판에서도 배선 효율이 떨어지게 됩니다.

2. 레이저로 작은 구멍을 뚫을 수 있다.

장비의 발전으로 드릴보다 레이저가 더 빠른 속도로 작은 구멍을 뚫을 수 있게 되었습니다. 드릴로 구멍을 뚫을 경우 아래층을 뚫고 들어가지만, 레이저의 경우 조건을 조합하면 수지에는 구멍을 뚫고 구리 위에서 가공을 멈출 수 있습니다.

따라서 다층화 후 레이저로 구멍을 뚫고 도금을 한 후 다음 층을 빌드업하여 레이저로 가공하는 공정을 쌓아 올리는(빌드업) 방식으로 비아홀의 면적을 효율적으로 사용하여 고밀도를 구현할 수 있습니다.

빌드업 기판을 사용하면 작은 면적에 고밀도의 기판을 사용할 수 있기 때문에 소형 기기 등에서도 다기능 제품을 만들 수 있습니다. 작은 면적의 복잡한 기판을 얻을 수 있습니다.

빌드업 기판의 사용 용도

빌드업 기판은 소형, 경량 전자기기에 광범위하게 사용되고 있습니다. 빌드업 기판이 실용화된 초기에는 PC와 휴대폰에 사용되었으나, 현재는 소형 계측기기, 스마트 미터 등 IoT 기기, 디지털 카메라 모듈, PC 주변기기 등에 사용되고 있습니다.

빌드업 기판 제조 공정의 홀 가공 등의 정밀도는 규격이 정해져 있어, 빌드업 기판 제작을 의뢰할 때 어느 정도의 정밀도로 의뢰할 것인지를 정확하게 선택해야 합니다.

빌드업 기판의 공정

빌드업 기판의 제조 공정으로는 절연체층 형성, 비아 가공, 스미어 제거, 비아 도금 등이 있습니다.

1. 빌드 업 층 형성

인쇄 회로 기판 위에 절연체 층을 쌓아 올립니다. 방법은 딱딱한 재료인 프리프 레그를 사용하는 경우 필름을 사용할 수 있습니다. 프리프레그는 디지털 카메라나 스마트폰의 반도체 패키지에 사용되는 경우가 많습니다.

2. 비아 가공

기판과 기판 사이의 절연체 층에 비아라는 구멍을 뚫는 공정입니다. 현재는 레이저를 이용해 구멍을 뚫는 것이 일반적입니다.

레이저도 탄산가스나 UV-YAG 등의 종류와 파장을 사용합니다. 탄산가스는 파장이 긴 적외선으로 디지털 카메라나 스마트폰에 많이 사용되며, UV-YAG는 파장이 짧은 자외선이기 때문에 반도체 패키지 기판과 같은 고밀도 영역에 사용됩니다.

3. 수지 잔여물 제거 (데스미어)

레이저 가공으로 인해 발생한 잔여물을 스미어라고 합니다. 수지가 남아 있으면 연결이 불가능하기 때문에 제거해야 합니다. 이 공정을 데스미어라고 합니다. 스미어가 빌드업 기판에 남아있으면 연결 불량 등으로 이어질 수 있으므로 반드시 제거해야 합니다.

강력한 약품(과망간산칼륨)으로 제거해야 하지만, 최근 고속에 대응하는 수지는 제거할 수 없는 경우가 있어 플라즈마 등을 병행하는 경우도 있습니다.

4. 비아에 도금

절연체를 사이에 둔 기판끼리 회로를 연결하기 위해 비아에 도금을 합니다. 작은 구멍에 도금하기 때문에 기포가 들어가지 않도록 해야 합니다.

빌드업 기판의 기타 정보

1. 빌드업 기판의 비아 명칭

구멍의 배치 및 구조에 따라 명칭이 달라지므로 간단히 설명합니다.

• 스태거드 비아
  계단처럼 비아의 위치를 엇갈리게 배치하는 방법입니다.
• 스택 비아
  비아 위에 또 다른 비아를 쌓아 올리는 방식입니다. 모든 층에 비아가 겹쳐져 있는 것을 풀스택 비아라고 합니다.
• IVH (영문: Interstitial VIA Hole) 내부에 있는 비아 홀
  빌드 이외의 층은 상하로 연결되는 구멍을 드릴을 통해 뚫어야 합니다. 구조적으로 기판 내부에 있는 구멍이기 때문에 이런 표기가 사용됩니다. 블라인드 비아라고 부르기도 합니다. 빌드업 층과 IVH 층을 구분하여 기재하는 것이 일반적입니다.

  예) 3-6-3 빌드 표 3층 IVH 6층 빌드 뒷면 3층 총 12층

2. 빌드업 기판과 애니레이어 기판의 차이점

빌드업 기판은 코어층 양면에 배선할 층을 쌓아 올리는데, 모든 층이 빌드업 층인 경우 에를 니레이어 기판이라고 합니다.

앞서 표기법으로 보면 3-0-3(6층 애니레이어)이 되지만, 사용하지 않는 층을 0으로 하는 것은 어색하기 때문에 층수 + 애니레이어라고 표현하고 있습니다.

애니레이어 기판은 스루홀을 형성하는 코어층이 필요하지 않습니다. 빌드업 기판은 IVH 부분은 기존 기판의 도통이 되지만, 애니레이어 기판은 레이저로 뚫은 작은 직경의 비아홀만으로 각 층 사이를 자유롭게 연결할 수 있습니다.

이러한 특징의 차이로 인해 애니레이어 기판은 일반 빌드업 기판보다 고밀도가 가능하여 제품의 경박단소화가 가능합니다. 공정 수와 비용이 많아지지만, 위와 같은 이유로 스마트폰 등에 많이 사용되고 있습니다. 그림을 참고하세요.

빌드업 기판의 각 구조 명칭은 다음과 같습니다.

그림 1. 빌드업 기판의 각 구조의 명칭

3. 빌드업 기판의 재료에 대하여

현재는 일반 기판 소재와 동일한 유리섬유 소재와 주로 패키지에 사용되는 필름의 두 가지가 주류를 이루고 있습니다. 과거에는 다양한 재료가 사용되었습니다.

원래 빌드업 기판은 IBM이 자사 제품군에 대해 대형 컴퓨터 플립칩을 장착할 수 있는 기술을 개발해 온 것이 시작입니다. 그 과정에서 다양한 검토를 진행했습니다.

그 결과, 포토 비아라고 불리는 자외선 경화 수지를 이용해 노광 및 현상하는 방식을 채택했습니다. 이는 일괄적으로 비아를 형성할 수 있다는 장점이 있었습니다. 층간 두께가 필요하기 때문에 막 두께를 확보할 수 있는 커튼코터용 솔더레지스트 소재를 기반으로 개발하여 양산화에 성공했습니다. 솔더레지스트와 마찬가지로 도포하고 노광 현상 후 열로 최종 경화하여 절연층을 형성했습니다.

IBM이 시작한 이후, 저희를 포함한 각 제조사들이 개발을 진행했지만, 빛에 의한 비아 형성은 형상을 안정화시키는 것이 매우 어렵고, 또한 화학구리의 형성은 원래 광중합을 일으키는 수지이기 때문에 박리 강도와 조건 관리가 매우 어렵습니다. 강도가 약하고, 조건 관리가 매우 어렵다는 단점이 있었습니다. 또한, 현상액이 용매이고, 각종 규제가 있어 대중화될 수 있는 기술이라고 할 수 없었습니다.

이후 마이크로 비아의 형성 방법이지만, 레이저 가공 장비의 대폭적인 발전으로 비아의 가공 속도가 수십 배로 빨라지면서 빛에 의한 형성에서 레이저 가공에 의한 형성으로 바뀌게 되었습니다. 이때 RCC(Resin Coated Copper Foil: 수지 코팅 동박)가 채택되었습니다. 이는 열경화성 수지이며, 동박 위에 수지를 코팅하여 프리프레그와 같은 반경화 상태로 만든 것입니다.

따라서 기존 기판과 동일한 공정인 적층 공정을 사용할 수 있다는 장점이 있습니다. 또한, 박리 강도가 우수하기 때문에 비아는 빛에 의한 형성에서 RCC의 레이저에 의한 형성으로 대체가 진행되었습니다.

전자기기의 소형화 및 소형화가 진행되면서 빌드업 기판의 용도는 확대되어 왔습니다. 그 속에서 더욱더 비용 절감 및 고밀도에 대응할 수 있는 신뢰성이 요구되었습니다.

또한, 레이저의 출력 향상 가공 기술의 대폭적인 개선으로 일반적으로 사용되는 유리섬유 소재의 가공이 가능해짐에 따라 유리섬유 소재에 대한 선호도가 크게 높아졌습니다. 휴대폰, 디지털 카메라 등 각종 모바일이 바로 이 유형입니다.

한편, LSI 패키지에서는 LSI의 고밀도화 플립칩 대응으로 고밀도 다단화 및 박형화가 요구되고 있습니다. 다단화 및 박형화 대응을 위해 층간 두께가 얇아지고, 더 작은 비아 및 표면의 평탄성이 요구되었다. 이에 대응하기 위해 필름 타입의 소재가 개발되었습니다.

회로 안에 수지를 채우기 위해 진공 라미네이터가 필수적이며, 수지 표면에 화학적 구리를 침전시키기 위해 독자적인 공정 전용 라인이 필요합니다. 따라서 대규모 설비 투자가 필요하다. 패키지 용도로는 PC 스마트폰의 MPU 대규모 LSI에 사용됩니다.

토크 모터란?

토크 모터(영어: torque motor)는 시동 토크가 크고, 회전 속도가 증가함에 따라 토크가 감소하는 모터를 말합니다.

넓은 속도 범위에서 안정적인 운전을 할 수 있는 특성을 가지고 있습니다. 토크 모터는 특히 저속에서 높은 토크를 구현할 수 있어 롤러 등의 권선 장치에 사용하기에 적합한 모터입니다.

권선을 할 때 처음에는 낮은 토크와 고속 회전이 필요하지만, 권선이 진행됨에 따라 직경이 커지기 때문에 최종적으로 높은 토크와 저속 회전이 필요합니다. 부하 측의 회전수-토크의 특성 곡선과 토크 모터의 특성 곡선이 비슷하기 때문에 토크 모터는 권선에 적합한 모터라고 할 수 있습니다.

토크 모터의 사용 용도

토크 모터는 일정한 속도로 무언가를 감는 장치에 내장되어 있는 경우가 많습니다. 예를 들어 천, 종이, 고무 등의 시트형 물건이나 금속선, 케이블, 실 등의 선형을 감는 경우 등이 있습니다.

또한, 롤용으로는 이송 롤, 각종 롤의 손실 보상용, 소형 크레인, 벨트 컨베이어 구동용 등이 있습니다. 또한, 밸브나 나사를 조이고 풀거나 문을 열고 닫을 때도 시동 토크가 필요하기 때문에 토크 모터를 사용하는 것이 적합합니다.

토크 모터의 원리

다른 모터의 회전수-토크 특성 곡선은 특정 회전수에서 정점을 찍는 산 모양인 반면, 토크 모터는 완만한 곡선을 그리며 오른쪽으로 내려가는 완만한 곡선을 그리는 것이 특징입니다. 이 특성이 바로 처짐 특성입니다.

토크 모터는 모터와 부하의 균형을 유지하기 위해 회전수가 증가함에 따라 토크는 감소하는 성질을 가지고 있습니다. 토크 모터에 가해지는 전압을 증가시키면 전압의 제곱에 비례하여 처짐 특성의 곡선은 더 오른쪽으로 기울어진 기울기를 가진 곡선으로 이동합니다. 따라서 전압 조정기와 함께 사용하면 애플리케이션에 따라 처짐 특성을 튜닝할 수 있습니다.

또한, 부하 토크가 일정한 경우, 인가 전압을 조정하면 회전 속도를 변화시킬 수 있습니다. 각속도가 일정한 회전 운동에 걸리는 토크를 정토크라고 하며, 토크 모터는 정토크를 필요로 하는 권선 동작 등에 적합합니다. 또한 시동 토크가 크기 때문에 시동 전류가 작기 때문에 자주 시동과 정지를 반복하는 동작에 적합한 모터입니다.

토크 모터의 기타 정보

토크 모터를 브레이크로 사용하는 방법
권취기구의 장력을 일정하게 유지하기 위해 권취측뿐만 아니라 권취측에도 토크 모터를 사용함으로써 미세한 조정이 가능합니다. 이 경우 토크 모터의 특징인 브레이크 특성을 이용할 수 있습니다. 제동 특성에는 다음 두 가지가 있습니다.

1. 역상 브레이크

교류 전압을 인가하여 회전 자기장의 방향과 반대 방향으로 회전시켰을 때의 토크 특성을 브레이크에 이용합니다. 역상 제동 특성을 이용한 사용법은 토크 모터 시동 시 토크보다 큰 토크로 반대 방향으로 회전시킬 때의 토크를 이용하는 방법입니다.

토크 모터는 일정한 제동력을 발생시키면서 회전 자력과 반대 방향으로 회전합니다. 회전수가 0부터 제동력이 발생하기 때문에 정지 시에도 장력을 필요로 하는 경우 등에 적합한 모터입니다.

2. 직류 브레이크

직류 전압을 인가하여 자기장에 의해 정지 상태의 모터를 회전시켰을 때의 토크 특성을 브레이크에 이용합니다. 한류 브레이크의 사용법은 정방향, 역방향 어느 방향으로 회전해도 동일한 제동력을 얻을 수 있는 현상을 이용하는 방식입니다.

회전수가 0일 때는 제동력이 0이지만, 회전수가 증가함에 따라 제동력이 증가하여 고속 영역에서 안정화됩니다. 이 특성을 이용하는 것은 고속 회전 시 안정된 장력을 필요로 하는 경우나 정회전 역회전 시 장력이 필요한 경우 등입니다.